当科幻小说中的想象成为了现实

孙悦礼,骨科医生 | 生物医学工程 | 临床转化 | 手绘科普

3D 打印技术让万物皆可打印,当我们自己的身体、组织,甚至每一颗细胞都可以完全还原并打印出来的时候,我们能代替造物主吗?

《西部世界》开场短片的钢琴曲很好听

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《权力的游戏》最后一季崩盘了,下一部神剧《西部世界》倒是值得期待一番,人工智能的“背叛”,3D 打印技术的栩栩如生,人性和意识的思考,风景如画的场景、引人入胜的故事情节,厉害的科幻往往会植入最新的科技,从细节上达到以假乱真的程度。

这部剧的核心科技从片头就开始了,3D 打印正是这种真实感的核心科技。

虽然感觉都很科幻,但又觉得离我们并不遥远,那么这部科幻有科学事实基础吗?有哪些事情在现实中 3D 打印技术已经可以做到了?

1.人工血管打印

打印人工血管方面,哈佛大学詹妮弗·刘易斯(Jennifer Lewis)教授的实验室走在最前沿,他们团队为专门为血管打印设计了一台定制的 3D 打印机和一种溶解性墨水。

采用这个技术,他们制成了一块含有皮肤细胞的组织样本,皮肤细胞和血管结构交织在这块组织材料中。

刘易斯教授的团队通过在打印细胞的网格中使用一种冷却后会液化的“墨水”,创造出中空的管状结构,这种组织是由 3d 打印机分层构建的。

第一种以明胶为基础的墨水构筑起了细胞外基质(细胞外基质是包围细胞的蛋白质和其他生物分子的混合物)。

第二种墨水含有明胶物质和小鼠或人类皮肤细胞,它们不仅具有生物活性,还有足够的粘性,可以在打印成型后保持结构和功能。

第三种果冻般材质墨水帮助团队创造了空心管。这种墨水在室温下具有果冻的粘稠度,但冷却后会液化。研究小组在常温下用这种墨水塑造出血管,组织成型后通过冷却加真空的方式,把这部分液化的墨水抽出,中空的血管通道结构就形成了,配合上第二层第一层打印在其周围的皮肤细胞和细胞外基质,中空管道的外壁也能像生物血管一样保持活性和通透性。

以上就是该团队 3D 打印人工血管的原理。是不是和《西部世界》片头的这一幕很像?

用这种方式打印出来的最小的通道直径约为 75 微米,相比身体各处交换营养和废物的毛细血管,显然要大得多。如果要做成更加成熟的组织甚至器官,光靠这些 75 微米的大血管显然是不够的。尽管如此,但这种分层多种“墨水”3D 打印人工血管技术,可以说是非常非常重要的一步探索了。

2. 更贴合的传感器

物联网技术已经把手机、手环、手表都改变成了“可穿戴设备”,实时检测我们每天的运动量、久坐时间和睡眠质量,都可以通过终端传感器检测、记录并管理我们日常的数据。

但如果把这些传感器做得更小,贴在皮肤表面,甚至植入到器官上,那么精度将会更高。

这部分工作,学术大佬 @冲气以为和 的研究就走在该领域的前沿——

你发表第一篇英文 SCI 论文经历了怎样的过程?https://www.nature.com/articles/s41551-018-0287-x

Really excelent work!

除了上述的体表贴片传感器以外,华盛顿大学圣路易斯分校的研究人员还做了可以贴到人体器官表面的一种植入传感器。

他们利用心脏扫描技术制作了个和病人完全一样的 3D 打印心脏模型,打印的同时在模型周围包裹着类似的可伸缩电子元件。这种硅装置可以从打印的心脏模型上剥离下来,然后完美地附着贴合在病人的心脏上。这种传感器包括了大量的电子元件,通过可伸缩的传感器阵列、氧合探测器、应变仪、电极和温度计的集成并包裹在心脏周围。对病人来说,可能意味着更彻底、更有针对性的监测和治疗。相对于目前临床上应用的心电图和 Holter 技术,在时间和空间维度上,这种内置的传感器技术将是碾压性的。

3.骨骼打印

骨骼,除了承重和活动需要,还是体内重要的钙磷仓库。

如果“暂时的”营养不良,身体里的钙磷来不及维持日常的生理功能,身体就会调用骨头这个「临时仓库」,破骨细胞被激活,在骨头表面吐出酸水,骨头被腐蚀后就会溶解出钙和磷,以离子游离的状态进入血液救急。当血液里的钙磷离子达到所需要的浓度之后,破骨细胞就会自动停工,不再继续发货了。

如果骨头局部区域受力过大,结构摇摇欲坠,骨头里的骨细胞就会感知到,然后发送信号激活并召唤成骨细胞来到肇事区域,成骨细胞沿着骨头里的胶原支架爬过来,在血液里打捞钙磷离子,和胶原里的蛋白混合一番后形成新的骨质,随着工程的完善,被卸磨宰驴的他们,也逐渐矿化成为骨细胞,并埋没在骨头中与之成为一体,感知骨头局部受力的大小。

骨质疏松症说到底,就是这三个细胞之间配合出现了沟通的障碍,使得原有的骨形成和骨吸收的平衡被打破,骨吸收过度引起骨量下降甚至骨质疏松。骨形成过度也会产生多余增生的骨刺。而整个过程与工地原料“钙”的多少,几乎是毫无关系的。

想了解更多,可以移步阅读——

孙悦礼:骨头大战

所以,如果要打印人工骨骼,不能仅仅把骨骼当作一块具有强度和粘性的材料,还要考虑材料植入人体后这些骨细胞、成骨细胞和破骨细胞在上面的生态。2011 年,华盛顿州立大学(Washington State University)Susmita Bose 教授对一台 ProMetal 3D 打印机进行了改造,将特定的化学因子和细胞因子结合到陶瓷粉末上,制成“Bio-ink”,以此为原材料创造出了比传统更复杂的骨骼植入材料,这些支架植入骨骼内部不仅可以促进任何形状的骨骼生长,还能利用微结构保持足够的强度。

荷兰乌得勒支大学医学中心的一组外科医生用定制的塑料打印植入物替换了一名 22 岁女性头骨的整个顶部。在中国也有一名颅骨破碎的男子接受了特制的 3D 打印钛合金置换手术。

随着 3D 打印技术的日趋完善,组织修复技术将会越来越普及。

有些 3D 打印批量生产的组织器官,虽然还没有条件植入人体内,但已经可以在新药研发和安评过程中代替“小白鼠”。

可以想像,未来十年,发展迅猛的 3D 打印工业会不会成为人体“零件农场”,在细胞层面和组织结构层面,培育出更接近人体的内脏器官和肌肉、韧带、骨骼。相信这一幕将不再科幻。

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